華中科技大學：在線考核系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

文/劉波 鄭競力 鄧洪志

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步發(fā)展，新型的教學考核手段得以應(yīng)用到臨床醫(yī)學教育中。為推進考試科學化和信息化，使用醫(yī)學理論與實際操作在線考試系統(tǒng)，能夠?qū)︶t(yī)學專業(yè)學生的平日學習效果進行真實、直接、迅速的反映。華中科技大學在WCF框架下通過應(yīng)用Silverlight技術(shù)在瀏覽器客戶端來訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，設(shè)計和實現(xiàn)了臨床醫(yī)學網(wǎng)絡(luò)考核系統(tǒng)。從系統(tǒng)開發(fā)的實踐效果來看，基于Silverlight和WCF的這種輕量級服務(wù)調(diào)用使開發(fā)出來的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過程簡單高效。整個系統(tǒng)很好地平衡了C/S、B/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，具有網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)迅速、訪問界面?zhèn)鬏斄鲿?、交互?yīng)答快捷高效、服務(wù)器及訪問終端系統(tǒng)并行運行流暢等特點。

系統(tǒng)開發(fā)方法

系統(tǒng)開發(fā)方法分析

在線考核系統(tǒng)開發(fā)方法有以下幾種，如面向?qū)ο蟮姆椒ǎ∣bject Oriented Development），原型方法（Rapid Application Development），結(jié)構(gòu)化方法（Structured System Analysis and Design）等。在線考核系統(tǒng)，要對并發(fā)的瀏覽器客戶端請求即時應(yīng)答，動態(tài)生成不同的試卷頁面，還要記錄考生的每一步操作痕跡，因而對運行效率要求較高。

圖1 三維結(jié)構(gòu)體系

圖2 原型化方法工作流程

軟件開發(fā)要從科學的角度來分析問題，也要從過程的角度來解決問題，最終的目標就是將人類的信息系統(tǒng)管理方式或過程在最大程度上轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可以高效執(zhí)行的軟件系統(tǒng)。總體說來包含三個方面的內(nèi)容，即系統(tǒng)的思想、數(shù)學的方法和計算機的技術(shù)。美國系統(tǒng)工程專家霍爾（H.hall）最先提出了由時間維、邏輯維和知識維三要素所組成的系統(tǒng)方法“三維結(jié)構(gòu)體系”（圖1），對軟件工程的理解和對軟件開發(fā)方法分析是非常有益的。

結(jié)合目前醫(yī)學科目考核的實際情況，醫(yī)學在線考核系統(tǒng)主要采用原型法以及面向?qū)ο蟮姆椒?，并以結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計為基礎(chǔ)來貫穿整個軟件的開發(fā)過程。

1.原型法

隨著新的程序設(shè)計語言、關(guān)系數(shù)據(jù)庫以及高效的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境得以應(yīng)用，軟件開發(fā)效率大大提高，出現(xiàn)了原型化軟件開發(fā)方法。原型化開發(fā)方法強調(diào)抓住核心和關(guān)鍵應(yīng)用，借助于高效的開發(fā)手段，快速構(gòu)造出系統(tǒng)原型，盡快提交給用戶一個可以試用和測試的系統(tǒng)模型。通過試用以后收集用戶的反饋信息，進一步明確用戶需求，在系統(tǒng)原型的基礎(chǔ)之上修改程序來完善功能。由于原型系統(tǒng)可以實際運行，也是最終系統(tǒng)的核心或組成部分，其構(gòu)造簡便，完成速度快，付出代價也相對較低，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化開發(fā)方法開發(fā)周期長、代價高的缺點。

原型化開發(fā)方法的基本過程如圖2所示。

值得注意的是，原型化方法也是以結(jié)構(gòu)化軟件開發(fā)方法為核心的，基本過程就是反復(fù)確認用戶需求。但對于大規(guī)模的軟件開發(fā)來說，用戶的需求有時是難以明確甚至是隨著軟件的具體使用而不斷變化的，使得軟件修改變得非常困難。

2.面向?qū)ο蠓椒?/p>

面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法較好地解決了這個問題，其核心就是將目標轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中的對象身上，先設(shè)計好對象的屬性與行為，再考慮對象間的操作關(guān)系。系統(tǒng)中的每個對象都是一個單獨模塊，以對象為基礎(chǔ)，加上對象之間的操作關(guān)系來構(gòu)成整個系統(tǒng)。面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)開發(fā)過程，可分為系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)，以及系統(tǒng)測試等幾個步驟。如圖3所示。

圖3 面向?qū)ο箝_發(fā)模型

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

軟件體系結(jié)構(gòu)目前主要有兩大結(jié)構(gòu)：C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)。與C/S“胖客戶端”結(jié)構(gòu)相比較，B/S“瘦客戶端”結(jié)構(gòu)的客戶端不需要安裝特殊的軟件，只要客戶端計算機能夠上網(wǎng)即可訪問服務(wù)器。

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了“富”客戶端技術(shù)?！案弧笔侵缚蛻舳说慕换ツＰ停怪哂型耆L問宿主操作系統(tǒng)和API的能力以及調(diào)用宿主系統(tǒng)的計算能力，從而出現(xiàn)多樣化輸入方式和符合用戶感覺的即時反饋手段。使得“富”客戶端模式的應(yīng)用使用起來就像是使用現(xiàn)有的桌面應(yīng)用軟件如Word，WPS一樣。

當前主流的富客戶端技術(shù)包括Flash、Silverlight等，兩者的特點如表1所示。

系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

.NET框架包括三個主要組成部分：公共語言、服務(wù)框架，以及兩類應(yīng)用模板（傳統(tǒng)的Windows應(yīng)用程序模板和基于ASP.NET的面向Web的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序模板）。

1.基于Silverlight的面向服務(wù)的富客戶端開發(fā)技術(shù)

Microsoft Silverlight翻譯為“微軟銀光”，是一種能在各種平臺上運行的Web呈現(xiàn)技術(shù)。Silverlight這樣一個跨瀏覽器、跨平臺的插件，為網(wǎng)絡(luò)帶來多種基于.NET framework的交互式應(yīng)用程序。對于運行在Macintosh和Windows上的瀏覽器，Silverlight都可以提供統(tǒng)一而豐富的用戶體驗。

表1 Silverlight與Flash比較

2.基于WCF的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)

WCF(Windows Communication Foundation)是.NET框架的一部分，是一組數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用程序開發(fā)接口。WCF集合了幾乎所有由 .NET Framework 所提供的通信方法，通信雙方的溝通方式由合約（Contact）來訂定。使得WCF可以支持傳輸層以及消息層的兩種安全層次。在 Visual Studio中，所有 WCF 服務(wù)的連接都是由客戶端的服務(wù)代理（WCF Service Proxy）來運行的，開發(fā)人員不用花費太多精力在通信上。而服務(wù)代理在Visual Studio項目中被稱為服務(wù)引用(Service Reference）。

在Visual Studio中添加 WCF 的服務(wù)引用方法非常簡單，只需要在程序代碼中引用WCF Service Proxy 對象即可。Silverlight客戶端通過添加 Web Service 引用來調(diào)用服務(wù)方法從而完成數(shù)據(jù)訪問操作。WCF是ASP.NET Web Service的發(fā)展或擴展。

WCF Data Services是WCF服務(wù)框架下的具體實現(xiàn)方法，也稱為ADO.NET Data Service。服務(wù)器端通過ADO.NET Entity數(shù)據(jù)模型，將OData （Open Data Protocol）數(shù)據(jù)封裝為實體模型，然后通過WCF 服務(wù)來發(fā)布數(shù)據(jù)；Silverlight 客戶端則通過添加 WCF服務(wù)引用并通過簡單編碼實現(xiàn)異步調(diào)用來完成數(shù)據(jù)訪問操作。Silverlightenabled WCF Service是Silverlight使用WCF服務(wù)操縱SQL Server的主要方法。在服務(wù)器端通過LINQ to SQL，將數(shù)據(jù)封裝為實體Model，通過手動編碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)的具體操作，發(fā)布Silverlightenabled WCF Service服務(wù)；而客戶端通過添加WCF服務(wù)引用和簡單編碼實現(xiàn)異步調(diào)用方法來完成數(shù)據(jù)訪問操作。

WCF RIA Services：WCF RIA Services 簡化了針對富Internet應(yīng)用程序 (RIA)的n層解決方案部署，比前面介紹的WCF服務(wù)和Web服務(wù)都要簡單。基本方法也是首先在服務(wù)器端通過ADO.NET Entity數(shù)據(jù)模型，將數(shù)據(jù)進行封裝，然后通過 Domain Service發(fā)布服務(wù)。在Silverlight 客戶端，通過添加Domain Service引用和簡單編碼實現(xiàn)同步調(diào)用實體類，從而完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的具體操作。

上述方法的優(yōu)缺點，如表2所示。

數(shù)據(jù)庫兼容性一般：默認只能訪問SQL Server和Access，訪問Oracle、DB2等數(shù)據(jù)庫需要安裝第三方插件。

以面向?qū)ο蠓椒?、原型化方法為指?dǎo)，以Silverlight富客戶端的B/S結(jié)構(gòu)作為軟件體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問方式基于WCF Data Service方式訪問數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)醫(yī)學理論與實際操作在線考試系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)應(yīng)用。

系統(tǒng)設(shè)計

通過需求分析，對系統(tǒng)的功能有了清晰的界定，確定系統(tǒng)的邏輯模型和物理模型，包括系統(tǒng)功能模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計等。系統(tǒng)設(shè)計工作包括系統(tǒng)總體設(shè)計、代碼編寫、系統(tǒng)配置以及數(shù)據(jù)存儲、功能模塊設(shè)計等。設(shè)計的基本原則是系統(tǒng)性、可靠性、靈活性以及經(jīng)濟性。

系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示，客戶端（帶Silverlight插件的瀏覽器）通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)訪問服務(wù)器，服務(wù)器上通過WCF服務(wù)訪問數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)功能設(shè)計

整體上系統(tǒng)劃分為四個功能模塊，包括用戶信息管理、醫(yī)學信息管理、在線考察，以及系統(tǒng)管理。系統(tǒng)將用戶管理與系統(tǒng)管理加以區(qū)分，由系統(tǒng)管理員對用戶實施管理，而硬件系統(tǒng)維護工作則由系統(tǒng)管理完成。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

Microsoft在Silverlight中的DataGrid沒有支持數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)表（DataSet， DataTable)，這對于數(shù)據(jù)顯示來說是十分不便的，而客戶端與服務(wù)端的高效數(shù)據(jù)傳遞并不容易實現(xiàn)，因此，系統(tǒng)直接使用了由加拿大 LASKARZHEVSKY SOFTWARE INC開發(fā)的開源軟件來實現(xiàn)基于WCF的服務(wù)器端和客戶端即時信息交互。在Silverlight中通過WCF進行異步數(shù)據(jù)訪問的模式設(shè)計如圖5所示，執(zhí)行順序。

基于WCF服務(wù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問

建立WCF服務(wù)：考慮到返回的數(shù)據(jù)類型的差異，將WCF數(shù)據(jù)庫訪問分為2類：查詢數(shù)據(jù)，更新和刪除數(shù)據(jù)。

由于構(gòu)建Oracle數(shù)據(jù)庫服務(wù)器需要較高的配置，而目前MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)搭建比較容易，占用資源也不多，因此，在開發(fā)過程中，靈活地配置了2種模式：調(diào)試過程中使用MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在后期測試和發(fā)布轉(zhuǎn)移到Oracle系統(tǒng)。

由于進行了較好的封裝，這種轉(zhuǎn)移很容易實現(xiàn)。

服務(wù)引用：設(shè)計好數(shù)據(jù)庫存取服務(wù)代碼（dataAccess_wcf_serviceRef.svc，代碼源文件為dataAccess_wcf_serviceRef.svc.cs）之后，在項目文件中添加服務(wù)引用。

得到服務(wù)：dataAccess_ServiceReference。

表2 Silverlight客戶端數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)比較

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖5 WCF異步訪問數(shù)據(jù)庫模式

系統(tǒng)實現(xiàn)效果

整個考試系統(tǒng)包含了用戶管理、權(quán)限認證，試題與試卷資源建設(shè)與維護，考試過程控制和統(tǒng)計分析、信息反饋等四大部分，分別由各自的數(shù)據(jù)庫支持，在線考核時每個用戶使用“富”瀏覽器客戶端遠程登錄考核系統(tǒng)，動態(tài)生成不重復(fù)的整套考核試卷，每個題目都以一個單獨的窗口臨時生成。

考核系統(tǒng)實時記錄被考核對象的每一個電子動作，并將紀錄即時發(fā)往相應(yīng)數(shù)據(jù)庫紀錄保存，待考核結(jié)束或計時結(jié)束后立即產(chǎn)生考核結(jié)果。

隨著校園網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大，網(wǎng)絡(luò)在線考核平臺已成為校園網(wǎng)的一個重要應(yīng)用部分，替代舊的考核機制在醫(yī)學領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)紙質(zhì)試卷中，圖片只能單色顯示。而微生物學、病理學、診斷學、解剖學、影像學等學科中，可放大的彩色圖片能更真實直觀準確地呈現(xiàn)試題。在線考核系統(tǒng)可提供大體結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、免疫ELISA法進行的微生物革蘭氏染色結(jié)果等涵蓋形態(tài)學、X片判讀、心電圖等專業(yè)彩色顯像技術(shù)。為廣大學生提供“靈活、方便、科學、公平”的學習測評服務(wù)。通過在線考核系統(tǒng)對學生學習進行考核，了解學生學習效果，為改進教學提供了依據(jù)。實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)題庫的及時更新和維護，也保證了試題更新滿足教學的要求。相對紙質(zhì)化的考試而言具有省時、省力、存儲方便等優(yōu)點。當然，由于此項工作實施還處在試點起步階段，還有很多細節(jié)需要補充，但在校園網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和發(fā)展上指出了一個新的方向。